（道路与铁道工程专业论文）城市轨道交通高架车站轨道结构振动特性研究.pdf

虫塞摘翌 中文摘要 摘要：随着我国城市化进程的加快，城市的交通问题同益突出，发展大容量的城 市公共交通已成为必然。城市轨道交通由于具有运量大、速度快、安全性好、准 时和节能等优点，近些年来在我国各大城市得到了快速发展。高架线作为- , 9 经 济、实用、高效的快速交通模式，其设计施工技术难度较小、建设费用低且建设 周期短，正在受到越来越多的重视和应用，高架车站随之应运而生。本文以空问 框架式高架车站为背景，将高架车站与轨道结构作为一个系统考虑，研究分析了 系统在动力作用下的振动特性，着重分析了系统各部位参数变化对系统振动特性 的影响。 在对目前城市高架轨道交通振动问题的相关研究进行简要分析后，建立了高 架车站轨道结构的三维动力学分析模型，较为系统地考虑了系统各部位的组成和 连接，并对模型进行扩展模态分析，得到了系统前1 0 阶的固有频率和相应的振型。 在模态分析的基础上，分别进行了系统在谐振荷载和列车移动荷载作用下的 振动特性分析。谐振分析中，主要考虑了轨下挚层刚度、支承块质量、桥梁支座 垂向刚度等参数变化对系统振动特性的影响；瞬态动力学分析中，主要考虑了列 车行车速度( 单、双向分别考虑) 、轨下垫层刚度、支承块质量等参数变化对系统 振动特性的影响，得到一些有益的结论和建议。 最后对文章的分析成果进行了总结，并提出了一些不足之处和进一步需要完 善的问题。 关键词：高架车站；轨道结构；a n s y s 模态分析；谐振；动力学 分类号：u 2 1 1 3 ；u 2 3 l + 4 旦苎! 丛! a bs t r a c t a b s t r a c t ：w i t hf a s td e v e l o p m e n to fu r b a n i z a t i o na n d i n c r e a s i n gt r a f f i cp r e s s u r ea n d p r o b l e m s ，i ti sn e c e s s a r yt od e v e l o pal a r g ec a p a c i t yu r b a np u b l i ct r a f f i c u r b a nr a i l t r a n s i th a sm a d em a n y p r o g r e s s e sa n di m p r o v e m e n t si nr e c e n t l yy e a r s ，w h i c hi sg o o d a t l a r g ec a p a c i t y h i g hs p e e d ，n i c es a f e t y , p r e c i s et i m e ，s a v i n ge n e r g ya n ds oo n e l e v a t e d r a i lt r a n s i ti so b t a i n i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o na n da p p l i c a t i o n ，a si ti sa ne c o n o m i c ， u s e f u la n dh i g he f f i c i e n c yh i g l ls p e e dt r a n s p o r t a t i o n i th a st h r e eo u t s t a n d i n gp o i n t s ， w h i c ha r es m a l lt e c h n o l o g yd i f f i c u l t yt od e s i g na n de s t a b l i s h ，l o we x p e n s e s ，a n ds h o r t t i m et of i n i s h t h ee l e v a t e ds t a t i o ng e n e r a t e dw i t ht h ed e v e l o p m e n to f s u c hn e w s y s t e m r e g a r d i n ge l e v a t e ds t a t i o na n dt r a c ks t r u c t u r ea sas y s t e m ，o nt h eb a c k g r o u n do fs p a c e e l e v a t e ds t a t i o n ，t h i sr e p o r tm a k ea n a l y s e so nt h ev i b r a t i o np e r f o r m a n c ew h e nt h e t o t a l l ys y s t e mi su n d e rd y n a m i c a le f f e c t ，e s p e c i a l l yp a ym o r ea t t e n t i o no nt ot h ee f f e c t o nv i b r a t i o np e r f o r m a n c ew h e np a r a m e t e ro ne a c hp a r td i f f e r s a f t e rab r i e fa n a l y s i so nr e l e v a n ts t u d i e so fp r e s e n tu r b a ne l e v a t i o nr a i lt r a n s i t v i b r a t i o np e r f o r m a n c e ，t h i sp a p e rs e t su pat h r e e - d i m e n s i o n a ld y n a m i c a la n a l y s i sm o d e l ， a n dc o n s i d e r st h ec o m p o n e n t sa n dc o n n e c t i o n so fe a c hp a r to fs y s t e m o nt h eb a s i so f a b o v ea n a l y s i s ，t h i sp a p e rm a k e se x t e n d e dm o d a la n a l y s i st ot h em o d e l ，a n da c h i e v e s t h ef i r s tt e ns t e p sn a t u r a lf r e q u e n c ya n dr e l e v a n tm o d es h a p eo ft h es y s t e m o nt h eb a s i so fa b o v em o d e la n a l y s i s ，t h i sp a p e rs e p a r a t e l ya n a l y s e st h ev i b r a t i o n p e r f o r m a n c eu n d e rt h eh a r m o n i cv i b r a t i o nl o a d sa n dt r a i nm o v i n gl o a d s d u r i n gt h e a n a l y s i so fh a r m o n i cv i b r a t i o n ，t h i sp a p e rc o n s i d e r st h ee f f e c to ns y s t e mv i b r a t i o nw h e n s o m ep a r a m e t e r sd i f f e rs u c ha st h es t i f f n e s so fr a i lp a d ，t h em a s so fe l a s t i cs u p p o r tb l o c k m i l ea tt h ea n a l y s i so ft r a n s i e n td y n a m i c s ，t h i sp a p e rm a i n l yr e f e r st ot h ev e l o c i t yo f t r a i ni nb o t hs i n g l ea n db i d i r e c t i o n a ld i r e c t i o n ，t h es t i f f n e s so fr a i lp a d ，a n ds oo n a n d t h e n ，t h i sp a p e rg e t ss o m eg o o dc o n c l u s i o n sa n ds u g g e s t i o n s l a s t l y , t h i sp a p e rm a k e saf i n a l c o n c l u s i o nt oa l la b o v ea n a l y s i s a n d s i m u l t a n e o u s l y , t h i sp a p e rg i v e ss o m ep r o p o s a l so ns h o r t a g e sa n dn e wq u e s t i o n sn e e dt o b er e s e a r c h e df u r t h e r m o r ei nf u t u r e k e y w o r d s ：e l e v a t e ds t a t i o n ；t r a c ks t r u c t u r e ；a n s y s ；m o d a la n a l y s i s ；h a r m o n i c v i b r a t i o n ；d y n a m i c s c l a s s n o ：u 2 1 1 3 ：u 2 3 l + 4 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：力易苫 签字嗍俨年月夕日 导师签名：芳乡巧 签字日期：研年f 月i o 臼 独剑性应明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字f = i 期：年月同 7 5 致谢 在北京交通大学土建学院度过的两年硕士生活中，不但得到了各位老师的悉 心教诲，而且目睹了老师们在教学科研上刻苦钻研的精神和高尚育入的情操。值 此论文成稿之际，向所有关心、指导、帮助过我的老师表达深挚的谢意。 本论文的工作是在我的导师彭华副教授的悉心指导下完成的，彭老师严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影u m 在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，并引领我参加一些有意义的科研实践项目，使我从中受 益颇多。在此衷心感谢两年来彭老师对我的关心和指导。 交环所的高亮教授、谷爱军副教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的 宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 论文准备及撰写过程中，张晓明、彭宏、康彦波、刘冰、徐田坤等同学给了 我许多有益的建议；在实验室工作期间，师兄徐国华、肖骁骐，师弟李明、乔神 路、闫子权等同学对我论文中的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的 感激之情。 另外，我还要特别感谢一直以来关爱、支持着我的家人，是他们辛苦的劳动 给了我学习的机会，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 绪论 1 1 引言 随着我国国民经济的持续、快速发展，城市规模的不断扩大，城市化进程逐 步加快，城市人口急剧增加，流动人口也大量涌进城市，使得城市交通面临着严 峻的局势。截至2 0 0 5 年，我国有百万以上人口的城市1 7 4 座，其中超过2 0 0 力人 口的大城市有3 3 座【l 】。现代城市需要有一个与其现代化生活相适应的，多层次、 立体化、智能化的现代化交通体系，要形成与城市发展布局高度协调的综合交通 格局。由于轨道交通具有运量大、污染低、准时快捷等优点，能够有效发挥城市 交通和市际交通的整体效益，促进土地的有效开发利用，成为我国城市交通体系 发展的重点。目前，我国已有北京、上海、香港、天津、广州、大连、武汉、重 庆、南京、深圳、长春、台北等城市已经拥有了轨道交通，其他如青岛、西安、 沈阳、杭州、成都、郑州、鞍山等城市讵在修建或计划修建城市轨道交通。在“十 五”计划期问，我国的地铁建设投资高达2 0 0 0 亿元人民币，“十一五”期间，预 计在轨道交通建设方面还将投资2 0 0 0 亿元人民币。 城市轨道交通线路的走行方式，有地下、地面和高架三种。【2 】高架轨道交通作 为一种经济、实用、高效的快速交通模式，正在受到越来越多的重视。相对地下 铁道的巨额建设费用和漫长建设周期，高架轨道交通更为经济和现实。同地下线 相比，高架轨道交通高架线路造价为地下线的1 3 ，高架车站的建设费用为地下车 站的1 9 ，高架线路运营费用是地下线的1 3 t 4 1 。由于高架线是在地面上建设，同漫 长的地下隧道施工相比，其建造速度要快得多，适应了大城市发展的迫切需要。 相对地面线与地面道路交通相冲突的缺点，高架轨道不仅可以避免与地面道路交 通相冲突，又相当于扩大了道路宽度，提高了道路的通行能力。在我国已规划的 轨道交通线路中，大多采用全封闭的地下线和高架线，而地面线所占比例最低。 并且与普通道路交通运输形式相比，高架轨道交通的安全性好。高架轨道交通在 完全封闭的系统中运行，安全性要比普通道路交通好得多。在世界各国交通事故 频繁的今天，高架轨道交通发生的交通事故极为罕见。 城市高架轨道交通系统中，土建工程主要包括两类：高架车站和高架桥。其 中高架车站的基本特征是：属于地上高架结构，轨道列车运行于结构上层，而非 底层。高架车站是伴随着高架轨道交通产生的一种新型的结构形式，是高架轨道 交通线路的主要附属设施。高架轨道交通运送旅客的任务，要通过车站吸引客流 和疏散客流来完成。因此，高架车站的建设在高架轨道交通建设中占有重要地位。 在以往高架结构的分析和研究中，对高架桥的研究较多，而对高架车站的研究相 对较少。实际上高架车站既不是单一的房屋建筑，也不是单一的桥梁结构，而是 房建与桥梁融合在一起的结构体系，是介于房建和桥梁之问的一种特殊结构。对 于这种特殊结构形式，如何掌握其合理的结构形念，在静动力作用下的性能，在 移动列车作用下的响应，振动和噪声的控制，结构的疲劳问题等都需要大量的研 究工作。随着高架轨道交通的快速发展，对这种特殊结构的分析研究具有重要的 理论和现实意义。 自国内第一条高架轨道交通上海轨道交通明珠线2 0 0 0 年在上海建成投入 运营以来( 3 】，高架车站在我国各大城市的轨道交通建设中纷纷应用，但是有关高架 车站的研究却相对较少，将高架车站与轨道结构作为一个系统来进行研究分析还 几乎处于空白。由于轨道结构位于车站的上层，在移动列车荷载的激励作用下， 车站结构必然产生振动，振动不仅会对结构本身产生一定的影响，而且还会向周 围环境传播，影响到周边建筑和人们生活。因此，对高架车站轨道结构的振动特 性进行分析无疑具有积极的意义。 1 2 城市高架轨道交通振动问题研究现状 高架轨道交通引起的振动问题牵涉到车辆、轨道结构、桥梁、支架结构、基 础和地基等组成的复杂体系 9 , 1 8 】。 1 2 1高架轨道交通引起的振动问题及评价标准 1 振动产生的机理【1 4 1 高架轨道交通运营期间的振动主要是由列车运行时引起轨道、桥梁结构的振 动以及通过墩台、基础传至地面的振动。列车通过轨道，引起桥梁的振动，这时 桥梁结构不但承受静力的作用，还要承受列车移动荷载以及桥梁和车辆的惯性力 作用。振动通过桥梁墩台及基础传至地面，再通过土体介质传至周围建筑物，引 发建筑物的“二次振动”，对附近建筑物的结构安全以及建筑物内人们的工作和生 活产生影响。加之高架轨道交通运营密度相当高，其产生的振动是全天候的。特 别是高架轨道交通大多位于或穿越闹市区，其产生的振动不容忽视。 引起桥梁振动的原因有： ( 1 ) 行车速度的影响：列车以一定速度过桥时由移动重力加载所形成的竖向作 用力，与车辆的编组、轴重及其排列以及行车速度有关； 2 ( 2 ) 列车以一定速度通过桥梁时，线路、车轮缺陷及轨道不平顺对系统产生的 内部自激激励作用，形成系统的强迫振动。其中轨道不平顺的作用是随机的，而 线路和车轮的作用是周期性的； ( 3 ) 列车以一定速度过桥时的动力作用，即车体、转向架和轮对质量的振动惯 性力对桥梁的冲击作用； ( 4 ) 车桥动力相互作用：包括桥梁及桥上轨道的挠度和振动对运行列车产生的 动力影响，某种速度下车辆转向架( 包括车体) 与桥梁结构产生的共振等。车桥系统 共振与列车速度、桥梁及车辆的自振频率、转向架弹簧与阻尼器的特性有关； ( 5 ) 地震与风的作用：即地震和风等外部激励所诱发的车桥系统的振动； ( 6 ) 列车上桥时的初始振动。 2 振动控制标准【3 8 】 振源发生振动，一般通过土层等介质对周围环境产生各种影响。传到建筑物 内的振动或建筑物内各种振源引起的振动均会干扰人们的币常生活、工作和学习。 因此，有必要对建筑物内的振动按一定的标准进行限制。国务院( 1 9 9 8 年) 第2 5 3 号令建设项目环境保护管理条例规定，建设项目的初步设计，应当按照环境 保护设计规范的要求，编制环境保护篇章。地铁环境保护设计可参考噪声控制 设计规范、环境工程手册、建筑声学设计手册、道路声屏障声学设计规范 等等。环境振动控制标准没有统一的模式，国际标准化组织i s o 及美国等国家制 定了建筑物内的振动标准，我国和同本则针对广义的环境保护提出了环境振动的 限值。我国地铁设计规范也规定了相应的限值。 ( 1 ) 对加速度振级的控制标准 为了限制环境振动对居民睡眠、学习、休息的干扰和影响，国家环境保护局 制定并批准的国家标准城市区域环境振动标准( g b l 0 0 7 0 8 8 ) 对广义的环境振动 给出了一定的限值。由于人对z 向振动最敏感，所以这个标准中规定了城市各类 区域垂向z 振级v l z 标准值，如表1 1 所示。 表1 - 1 城市区域环境振动标准 t a b l e1 1a l l o w a n c ef o re n v i r o n m e n t a lv i b r a t i o ng r a d e si nu r b a na r e a 适用地带范围昼问夜间适用地带范围的划定 特殊住宅区 居民、文教区 混合区、商业中心区 工业集中区 6 56 5 指特别需要安宁的住宅区 7 06 7指纯居民和文教、机关区 指一般工业、商业、少量交通与 “” 居民混合区 指在一个城市或区域内规划明确 “ 确定的工业区 3 附注：1 ) 本标准采川的基本评价量为锚锤向z 振级v l z ，其计算公式与i s 0 2 6 3 l 一致。 2 ) 本标准适用于连续发生的稳态振动、冲击振动和无规则振动。稳态振动指的是观测时 间内振级变化不人的环境振动；冲击振动指的是具有突发性振级变化的环境振动；无规则振 动指的是未来任何时刻不能预先确定振级的环境振动。 3 ) 表中数值均为标准值：对丁每日发生儿次的冲击振动，其最人值昼问不容许超过标准 值1 0 d b ，夜间不容许超过标准值3 d b 。 4 ) 监测方法：测量点设在建筑物室外o 5 m 以内对振动敏感处，必要时设置于建筑物室 内地面中央。 ( 2 ) 对振动速度的控制 机械工业环境保护设计规范( j b j l 6 2 0 0 0 ) 中有纪念性的建筑物和古建筑的 振动容许值规定如表1 2 。 表1 2 建筑物的振动容许值 t a b l e1 - 2a l l o w a n c ef o rb u i l d i n gv i b r a t i o n 序号建筑物的类型振源频率( h z )容许总速度值( m m s ) 1 2 2 高架轨道交通的减振措施 对振动的控制，主要包括三个方面：( 1 ) 、振源的控制；( 2 ) 、振动传播途径的 控制；( 3 ) 、受保护建筑的控制。高架轨道交通的减振措施应根据不同的环境要求 确定，应以工程环境评价报告为依据，经现场详细勘察，明确保护范围和对象， 针对沿线可能由于高架轨道交通运营引起的环境振动超标地段，按其超标程度将 全线分为普通、较高和特殊减振三种地段【9 1 。按照不同的要求采取不同的减振措 施，根据工程线路铺设形式、工程结构特点、工程地质条件等进行，做到技术可 行、可靠、经济、合理。高架轨道交通的振动控制是一项综合性工作，涉及到列 车速度、车辆重量、桥上轨道的特性、桥梁的结构形式、桥梁的跨度和刚度、桥 4 梁支座类型、土体状况和基础类型。此外，列车与桥梁的动力相互作用也会加大 振动的作用。根据国内外的成功经验，只有根据具体线路情况和环境标准，采用 综合性减振措施，才能取得显著效果1 6 ，j 。 就轨道结构的减振降噪而言，减小振动是主要的，因为结构产生的噪声是由 振动引起的，减小振动的i 司时也就降低了噪声。从隔振效果出发，隔振器的固有 频率应当尽可能低，即质量尽量大，弹簧刚度尽量小，以便在较低频率就起到隔 振作用。所以，良好的振动和噪声衰减特性与结构稳定性这对矛盾体的有效解决 就成为了轨道结构减振降噪技术的关键1 9 j 。城市轨道交通振动的根源在于轮轨关 系，轨道结构主要由钢轨、扣件及轨下基础组成。根据振动理论，轮轨之问的振 动与轨道结构各部件的质量、刚度以及结构阻尼密切相关。大量研究表明：不同 型式轨道结构其振动与噪声也不同，因此轨道结构的减振降噪也就可以通过改变 轨道结构参数实现。目前，轨道振动和噪声控制的主要措施有如下几个方面： ( 1 ) 重型钢轨和无缝线路 重型钢轨具有寿命长、稳定性能和抗振性能好的特点【l4 1 。与5 0 k g m 的钢轨 相比，6 0 k g m 钢轨的垂向刚度增加，可降低振动强度2 - - - 4 d b ，因而可有效抑制 钢轨的垂向振动。无缝线路作为一种现代轨道技术，其技术经济优越性在城市轨 道交通中得到更充分的发挥和体现。国内外已公认无缝线路是城市高架轨道交通 最佳的轨道结构，世界各国都竞相采用。采用无缝线路，即将标准轨焊接成长钢 轨，减少钢轨接头数量，从而减小接头轮轨冲击引起的振动与噪声。无缝线路能 有效减小轮轨间的冲击力，使列车运行的基本单位阻力减小1 0 - - 2 0 。无缝线 路可消除车轮对钢轨接头的撞击，降低振动强度5 d b 左右，并可减少轨道的养护 维修工作量。据欧美国家资料介绍，运营噪声可降低2 1 0 d b ，我国资料介绍可 降低2 - - - 3 d b 。此外，在运营管理中，加强轨道结构状态管理，保持钢轨良好的平 顺性能，可以减小轮轨冲击作用，减小振动。小半径曲线地段应对钢轨涂油，以 减轻钢轨磨耗，对钢轨项面不平顺进行打磨。据日本资料介绍，钢轨经打磨后可 降低噪声5 - - 6 d b ，我国资料介绍可降低3 - - 5 d b 。 ( 2 ) 减振降噪型钢轨【1 1 j 当车辆轮滚过钢轨顶面时，由于钢轨腹板的厚度较薄，轨腰产生振动，这一振 动向空气幅射，从而产生噪声。为了最大限度地减小钢轨腹板振动引起的噪声， 在钢轨腹部粘贴减振橡胶。一般是在钢轨腹部粘上钢板后再粘上一钢板，以增加 振动质量，起到衰减作用。要求使用高阻尼橡胶，从而增大振动衰减作用，达到 降噪目的。这一装置的关键之一是橡胶与钢轨、橡胶与铁板之间要有较好的粘结 性，如果粘结界面脱开，则减振效果大大下降。 5 图l l 减振降噪承钢轨 f i g 1 - 1t y p eo fl o wv i b r a t i o na n dn o i s er a i l 为了降低列车通过时轨道结构引起的噪声，荷兰在丌发研究板式轨道时，研 制了轨头形状与u i c 5 4 相似的s a 4 2 型矮轨，并采用e r s ( e m b e d d e dr a i l s t r u c t u r e ) 轨道结构技术，将钢轨用e d i l o nc o r k e l a s t 材料埋起来，轨下基础也采 用板式轨道。由于这种钢轨矮胖，车辆通过时引起铡轨腹板的振动频率较低，提 高了轨道结构的减振降噪效果。据国外资料表明，这利，轨道结构降噪效果为5 d b 。 ( 3 ) 减振型扣件 轨道的弹性，尤其是刚性基础整体道床轨道结构的弹性，主要取决于扣件的 弹性，国内外对此都做了大量研究工作，研制并开发了满足不同减振降噪要求的 扣件 1 0 1 。 1 ) w j 2 型扣件为弹性分开式扣件，扣压件为弹条，扣件调高量为4 0 m m ， 轨距调整量为1 0 m m ，扣件节点刚度为4 0 - - 6 0 k n m ，能满足一般地段的减振 要求，扣件绝缘电阻为1 0 8 f 2 ，已在明珠线使用。但扣件调高以后的刚度匹配，增 加扣件的减振降噪效果，则还需进一步研究。 2 ) d ti i l 型扣件，该扣件采用二级减振，在钢轨和铁垫板下都设绝缘橡胶板， 扣件弹性较好，减振效果较好，比北京地铁采用d t i 型扣件的振动减少5 1 0 d b 。 目前上海地铁采用d ti i i 型扣件，该扣件主要用在减振要求一般地段。 3 ) w j 4 型扣件，这也是一种无挡肩的弹条扣件，这种扣件的轨下垫层调 高量较小，轨面的调整主要是靠铁垫板下的垫层调整。此类扣件的减振降噪效果 类似于w j 2 型。目前此类扣件在开发中。 气 - 、 ，一，_ “ 刚蠕蔺 一、 ：i。：|。：l蚓 ( a ) w j 2 型扣件( b ) d tu i 型扣件( c ) w j 4 型扣件 图1 2w j 2 型、d th i 型及w j 4 型扣件 f i g 1 - 2 t y p e s o f w j 一2 ，d tr ia n dw j 一4 f a s t e n e r 6 4 ) 轨道减振器扣件( c o l o g e e g g ) ，该扣件的承轨板与底座之问用减振橡胶 硫化粘贴在一起，利用橡胶圈的剪切变形，获得较低竖向刚度，较d t i 型扣件加 速度传递函数减少1 5 - - 3 0 d b ，较d ti i i 型扣件减少1 0 2 0 d b ，减振效果显著， 能有效的减少对周围环境的干扰。目前上海、新加坡、德国科隆等地在减振要求 较高地段采用了该扣件，取得了良好的效果。 图l 一3 轨道减振器扣件 f i g 1 - 3c o l o g n e e g ge l a s t i cf a s t e n e r ( 4 ) 减振型轨下基础1 9 j 为了适用于不同减振降噪的要求，各国都对传统的碎石道床与整体道床作了 大量改进研究工作，开发了多种基于隔振原理的具有良好振动和噪声衰减特性、 结构稳定的轨下基础，主要有： 在碎石道床的基础上，研制了轨枕垫和道碴垫( 见图1 2 ) ，前者是在枕下加 设橡胶垫，后者在道碴底下加设橡胶垫，增加道床弹性，有效降低道碴振动，与 一般碎石道床相比，有5 1 5d b 的减振效果。在日本、欧洲地铁中，得到了广泛 采用。根据日本新干线测定，在高架桥上铺道碴挚可使振动加速度减少1 2 2 3 ， 附近噪声也减少4 - - 一8 d b ，减振降噪效果显著。 在整体道床的基础上，开发了弹性支承块和弹性支承长轨枕式整体道床。 这两种道床都大大提高了整体道床的弹性。 ( a ) 英吉利海底隧道的l 、丌结构( b ) 高架桥上的l 、，t 结构 图l - 4 弹性支承块式轨道结构( l 、，t ) f i g 1 - 4l o w v i b r a t i o nt r a c k ( l v t ) 7 弹性支承块式轨道结构( l 、，t ) 由弹性支承块、道床板和混凝土底座及配套扣 件构成。这种轨道结构减振降噪的效果较为明显，因此，对于城市轨道交通中对 振动和噪声敏感的地段，特别是高架结构，弹性支承块式无碴轨道结构是一种比 较理想的方案。这种结构己在美国华盛顿、巴尔的摩、亚特兰大、费城、法国巴 黎等城市地铁中以及在英吉利海峡海底隧道中应用，具有很好的振动和噪声衰减 特性。北京地铁于1 9 7 2 年在东四十条站铺设了这种轨道，现场测试较一般整体道 床振动加速度降低3 0 ，减振效果良好，经过2 0 年运营使用，技术状态良好。铁 道部科学研究院对弹性支承块式轨道结构进行了室内1 ：1 模型试验。测试结果表 明：采用弹性支承块，轮轨l 日j 相互作用力减小3 9 - - - 5 2 k n ，支承块振动加速度下降 ( 1 7 - - 4 6 ) g ，减少振动噪声约1 0 d b ，减振效果良好。该种结构也曾在广州地铁二号 线、深圳地铁一期工程铺设，武汉轻轨、天津津滨快速轨道交通的部分高架区段 也采用了这种弹性支承块式承轨台结构。这种轨道结构的特点为： 1 ) 轨道结构的垂向弹性由轨下和块下双层弹性橡胶挚板提供，最大程度上模 拟了弹性点支承传统碎石道床的结构和受荷响应特性，并使得轨道纵向弹性点支 承刚度趋于一致。通过双层弹性垫板刚度的合理选择，可使轨道的组合刚度接近 有碴轨道的刚度。 2 ) 支承块外设橡胶靴套提供了轨道的纵、横向弹性变形。使这种无碴轨道在 承载、动力传递和振动能量吸收诸方面更接近坚实均匀基础上的碎石道床轨道。 这种低振动轨道可以弥补无碴轨道弹性不足，以适应环保对低振动、低噪音的要 求。 3 ) 通过双层弹性垫板的隔离，轨道的支点荷载和振动等动力性能可保持长期 稳定，轨道的几何形位也可在长时间内得以保持。 4 ) 结构简单，施工相对容易。支承块为钢筋混凝土结构，可在工厂预制，在 现场只需将钢轨、扣件、靴套及垫板的支承块力加以组装，经准确定位后，就地 灌注道床混凝土即可成型。 5 ) 由于采用橡胶靴套和块下大橡胶垫板，初期投资较大。且由于橡胶易老化， 故运营一定时间后必须更换。 弹性支承长轨枕式整体道床与弹性支承块式整体道床的组成相近，不同之处 在于：以特殊的预应力混凝土轨枕取代支承块，可提高轨距保持能力；以包住预 应力混凝土轨枕两端开启式的橡胶靴( 称减振箱) 取代包裹支承块的套靴，利于 排除进入箱内的雨水污泥，且便于施工和维修：除枕垫设弹性垫板外，在减振箱 与轨枕侧面和端面间另设弹性垫层。 浮置板式轨道结构 浮置板式轨道结构是降低传振和传声的很有效的方法。这种隔振系统在共振 频率下的放大倍数很低，所以减振降噪效果非常显著。浮置板轨道结构系统采用 三层水平挚板( 钢轨下橡胶挚板、铁挚板下橡胶挚板、板下橡胶挚板) 和一层侧向 挚板。比较具有代表性的浮置板轨道结构由德国g e r b 公司丌发，该轨道结构对 阻止由轨道传至地基的振动非常有效。这种轨道结构形式已成功地应用于隧道、 路基、桥梁和高架桥，目前的应用范围包括轻轨、地铁、客货混跑线路以及高速 铁路的某些地段。我国第一次采用浮置板式轨道结构的城市轨道交通线路是广州 地铁一号线，国内其它城市也在某些地段有所应用，随着我国各个城市轨道交通 的迅速建没和发展，这种轨道结构的性能在国内的实际运用情况可通过下一步的 试验来进一步阐明。浮置板轨道结构按照板下弹性阻尼元件可分为钢弹簧支撑浮 置板和橡胶支撑浮胃板两种。 l _ 浮鬣援弘铡离文壤 3 一橡胶支庭或螺旋锎弹簧 图1 - 5 浮置板轨道结构 f i g 1 - 5f l o a t i n gs l a bt r a c ks t r u c t u r e 浮置板轨道结构的主要特点如下： 1 ) 减振降噪效果最好。据联邦德国有关部门测试，有道碴下垫层和浮置板式 的轨道结构其阻尼效应可达3 0 d b ，且在垂直荷载2 0 - 1 0 0 变化范围内其隔振 的效果几乎保持不变。 2 ) 轨道绝缘性能强。由于轨道结构四周基本上由绝缘的橡胶支座与混凝土底 座隔离，可有效防止轨道迷流的发生。 3 ) 体积庞大，施工与维修不便。由于浮置板是采用了有意增大轨下参振质量和 有效阻尼的方法来控制噪声和振动，故一般而言，浮置板体积较大，需大型机械施 工。维修时若需更换支座，在隧道内将造成不便。 4 ) 由于采用橡胶支座，故造价较高。 e d i l o n 钢轨埋置式板式轨道结构 荷兰e d i l o n 研制了一种埋置式轨道结构，这种轨道结构以纵向连续支承取代 传统的分散点支承，增加了轨底支承系统的应力水平。实践证明，这种轨道结构 在钢轨周围使用了一种称为e d i l o nc o r k e l a s t 的材料，取得了较好的隔声和隔振效 果。这种类型的轨道结构使用2 0 年来，养护维修工作量相当少。 9 二匕瘟盆地厶堂丝! ! ：! 兰位睑塞 图l 一6 钢轨娜簧式板式轨道结构 f i g 1 6t y p eo fr a i l e m b e d d e ds l a bt r a c ks t r u c t u r e 另外，采用合理的高架结构形式，对高架轨道交通的减振也有着重要的影响。 列车在高架线路上运行时产生的结构振动与高架结构辛梁的形式、墩台基础 结构 及支座衙i 置情况有很大天系。高架轨道交通的桥梁应优先选用混凝土梁以及整体 性能好、振动较小的结构形式。合理设计跨度和自振特性，以避免高速运行的列 车与结构产生共振。预应力混凝七箱梁是同d 仃国内外城市高架轨道交通普遍采用 的结构形式之一。由于结构采用了闭合截面，其抗弯、抗扭性能好，并且具有整 体性强、刚度大、结构耐久性好的特点，具有良好的动力特性，在列车运行时产 生的振动及噪声均相对较小。 桥梁基础类型对地面振动的影响非常大。采用桩基时，由列车运行引起地面 振动的位移、速度、加速度值均比采用浅平基础小许多，且桩基对地面振动随距 线路距离的增加而衰减的速度也较浅半基础时大。 1 2 3 高架轨道交通振动相关的理论研究 文i 袱 1 4 j f f ! 过建立列车高架桥梁相互作用分析模型，计算了铺设梯形轨枕和 普通整体道床两种情况下高架桥梁的动力响应，分析了梯形轨枕对高架桥梁的减 振作用。并对梯形轨枕轨道进行了室内试验研究，通过室内加载试验，进一步了 解了梯形轨枕的减振性能。理论和试验表明，梯形轨枕具有良好的减振效果，并 得出了一些有益的结论。 文献 1 8 主要对高架桥_ k y u 车引起的震动在周围环境中的传播及影响规律问 题进行了较为系统的研究，采用有限元软件a n s y s 建模分析的方法对列车引起 的振动沿轨道结构一桥墩一土体的振动传播规律进行了研究，讨论了轨道结构和 桥梁相关参数对振动传播的影响。 文献 6 8 结合地处高烈度地震区的天津快速轨道交通工程，对轻轨铁路高架 桥梁结构与站桥结构体系进行了地震反应分析和隔震研究。指出按照现行规范规 定的反应谱值所设计的轻轨铁路站桥结构体系的抗震安全性较低，只有按照轻轨 l o 铁路建设场地地震评价所给定的反应谱值对站桥体系的地震反应进行时程分析， 彳能保证轻轨铁路的抗震安全性。同时，通过安装复合s m a 智能隔振器，可以 有效地提高轻轨铁路站桥结构体系的抗震安全性。 文献f 1 7 】针对高架桥上浮置板轨道结构、减振器轨道结构和有碴轨道结构， 利用大型有限元分析软件建立动力学分析模型，计算分析了三种结构的振动特性， 并将轨道桥梁结构瞬态分析所得到的桥墩支座反力作用于桥墩一土体动力有限元 模型上，分析了振动在线路周围土体中的传播特性，得出了一些有益的结论。 文献 9 1 对高架轨道交通引起环境振动的减振和隔振措施进行了研究，首先计 算列车运行下高架桥桥墩处的支座反力，接着研究了改变车体车轴间距以及桥长 队支座反力的影响。结合武汉市轻轨高架轨道交通系统引起周边环境振动的实际 情况，以武汉市轻轨一号线一期工程为例，通过对建立的土体模型施加激励，采 用有限元法对各种屏障隔振进行了分析计算，获得了屏障隔振自仃后的各种信息。 文献 2 ，6 4 首先对高架车站的结构形态进行了研究和探讨。接着采用“两步分 析法”：首先建立三维的车桥动力作用模型，通过模拟分析求得作用在高架车站上 的时程荷载：然后建立高架车站三维动力分析模型，求解高架车站在列车动载作 用下的动力响应和受力变形规律。论文研究了列车作用下高架车站的振动规律， 并研究了高架车站动力系数的数值及变化规律，探索了一种高架车站动力分析的 理论形式。 1 3 高架车站结构形式概述 高架车站的结构型式，首先应满足车站的功能布置要求，并结合当地的城市 规划、地面道路及工程地质条件等综合考虑而定。目前，国内外高架车站多为2 4 层，站台层位于结构最上层，与区间高架桥连接。一般采用现浇或预制钢筋混凝 土结构，优先采用预应力混凝土结构。高架车站常见的结构型是由钢筋混凝土空 间框架结构、桥梁式结构、框架+ 桥梁式结构 2 , 3 4 , 3 9 。 1 3 1 空间框架结构 该结构属桥梁、房建结合方案( 图1 7 ) 。高架车站先形成空间框架结构，再 与其上形成轨道梁，同时将桥墩作为房屋框架结构的一部分。该结构体系柱网简 单，受力合力，结构整体性和稳定性好。此外，框架纵、横梁对桥墩均能起到约 束作用，减少了桥墩计算高度，降低了线路标高和建筑标高，可节省工程造价； 但桥、建合一没有现行统一的规范与标准可循，设计时，对不同的构件采用不同 的规范，结构计算也比较复杂。 图1 - 7 空间框架式高架下站结构( 侧式站台) f i g 1 7s p a c ef r a m ee l e v a t e ds t a t i o ns t r u c t u r e ( s i d ep l a t f o r m ) 高架车站的荷载与房屋建筑一般所受荷载完全不同，活载占的比重大，而且 受载点不断变化。框架结构受载不均匀，易造成基础的不均匀沉降，特别是在地 质条件不好的地段。一旦发生不均匀沉降，将损坏结构，而且修复困难。 当列车以一定速度通过高架车站时，高架车站产生振动。框架结构的动力稳 定性一般比桥梁结构差，因此，高架车站的振动控制，成为结构分析和设计的关 键问题之一。 南京地铁南北l 号线工程共有5 座高架车站，均采用空间框架结构体系。框 架横梁为三柱两跨，纵向柱距为8 - 、- 1 2 m 。行车道梁采用钢筋混凝土板梁或箱梁， 简支或连续支承与框架横梁上。 1 3 2 桥梁结构 该结构属于桥建结合方案。高架站先形成桥梁结构( 梁、墩柱、基础) ，再在 桥上布置站台( 图1 8 ) 。 桥跨结构可选择的截面形式有箱梁、t 形梁、板梁和槽形梁等。箱梁截面抗扭 刚度大，整体受力性能和动力稳定性好，广州地铁2 号线高架车站采用这种形式。 t 形梁刚度大，材料用量省，还可采用预制吊装法施工，宜优先采用。 墩柱常用的结构形式有t 形墩、双柱墩、v 形墩和y 形墩。高架车站中的墩 柱应具有足够的强度和稳定性，应避免在轨道列车作用下产生大位移。 1 2 ( a ) 箱梁、y 型墩 1 3 3 框架桥梁结构 卜一一1 3 咝卫咝专 ：3 0 0 o - 5 0 0 0 哟膏舰型蜮墁强 盎占台 珞 瞄 ( b ) t 梁、双杠墩 图1 - 8 桥梁式高架车站结构 f i g 1 - 8b r i d g ee l e v a t e ds t a t i o ns t r u c t u r e 图1 - 9 框架+ 桥梁式高架车站结构 f i g 1 - 9f r a m ea n db r i d g ee l e v a t e ds t a t i o ns t r u c t u r e 该结构属于桥建分离方案( 图1 9 ) 。主体结构分为两个部分，即车站建筑和 高架桥。车站建筑包在高架桥之外，高架桥从房屋建筑中穿过，二者在结构上完 全分开，受力明确，传力简洁。 车站建筑和高架桥受力分别自成系统，可防止列车运行对车站的不利影响， 解决基础的不均匀沉降和车站建筑的振动问题。“明珠线部分高架车站采用了这 种结构形式。 上述三种结构体系，从使用功能上来看，空间框架结构体系和框架桥梁结构 体系适用于大中型车站；而桥梁结构体系适用于小型车站和中问站。 1 4 本论文的主要研究内容和方法 城市轨道交通建设过程中，高架线路占据了相当一部分的比重，高架车站的 数量也随之越来越多，其中难免有许多高架车站位于城市中对振动要求比较敏感 的地区，如毗邻居民区、穿越商业大楼等。而目前有关高架车站在动力作用下的 响应研究却相对较少，把高架车站与上部的轨道结构作为一个系统进行分析，还 几乎处于一片空白。鉴于这种情况，本文借助a n s y s 软件建立了高架车站一轨道 结构的三维动力学分析模型，较为系统地考虑了系统各部位的组成和连接，并对 模型进行扩展模态分析。在模念分析的基础上，分别进行了系统在谐振荷载和列 车移动荷载作用下的振动特性分析，着重分析了系统各部位参数变化对系统振动 特性的影响，具体内容如下： 1 论文第一章首先论述了论文的研究背景及意义，简要描述了城市高架轨道 交通振动问题的研究现状，其中包括高架轨道交通引起的振动问题及评价标准、 高架轨道交通的减振措施和相关的一些理论研究等，接下来介绍了高架车站的三 种主要的结构形式，最后给出了本论文的主要研究内容和方法。 2 第二章首先对有限元理论和a n s y s 软件进行概述，接着借助a n s y s 软件 建立了高架车站轨道结构的三维分析模型。车站主体框架结构以上海“明珠线 某三层高架车站为背景，站台选取岛式站台；轨道梁采用箱形截面，两侧分建： 轨道结构选取弹性支承块式轨道结构，钢轨选用6 0 k g m 钢轨：分别考虑模型各部 分之间的连接。最后对建立的模型进行了